Производство металлических порошков

Обзор

Металлические порошки это мелкие металлические частицы, используемые в качестве исходного сырья для таких технологий производства, как аддитивное производство, литье металлов под давлением, прессование и спекание в порошковой металлургии. Производство современных специализированных металлических порошков с точным контролем химического состава, распределения частиц по размерам, морфологии и микроструктуры имеет решающее значение для свойств готовых компонентов.

Для крупномасштабного производства металлических порошков из различных систем сплавов используются различные методы, в том числе:

• Распыление газа
• Распыление воды
• Плазменное распыление
• Индукционное плавление электрода распылением газа
• Процесс с вращающимся электродом
• Карбонильный процесс
• Электролитический процесс
• Процессы восстановления металлов

В результате каждого процесса получаются порошки с различными характеристиками, подходящими для конкретных областей применения.

Методы производства металлического порошка

Метод	Используемые металлы	Основные характеристики	Основные приложения
Газовая атомизация	Титан, алюминий, нержавеющая сталь, инструментальная сталь, суперсплавы	Сферические порошки, умеренная скорость производства	Литье металла под давлением, горячее изостатическое прессование
Распыление воды	Низколегированная сталь, железо, медь	Неправильная форма порошка, повышенное содержание кислорода	Прессование и агломерация
Плазменное распыление	Титановые сплавы, суперсплавы	Очень тонкие сферические порошки	Аддитивное производство
Вращающийся электрод	Вольфрам, молибден, тантал	Контролируемая зерновая структура	Пленки, режущие инструменты
Карбонильный процесс	Железо, никель, кобальт	Сверхтонкие порошки высокой чистоты	Электронные компоненты, магниты
Электролитический	Медь, никель	Морфология дендритных хлопьев	Поверхностные покрытия

Металлический порошок Методы производства

Существует множество коммерческих методов, используемых для получения металлических порошков из различных систем сплавов. Выбор метода производства зависит от таких факторов, как:

• Тип материала сплава
• Требования к чистоте
• Желаемые характеристики порошка: размер частиц, форма, структура зерна
• Масштаб производства в тоннах в год
• Конечное применение порошка

Вот некоторые из наиболее распространенных промышленных процессов производства металлических порошков:

Процесс газовой атомизации

В процессе газового распыления поток расплавленного металлического сплава дезинтегрируется струями газа высокого давления, обычно азота или аргона. Поток металла распадается на мелкие капли, которые застывают в порошок.

Порошки, распыляемые газом, имеют сферическую форму и гладкую морфологию поверхности. Распределение частиц по размерам можно контролировать, регулируя параметры процесса. Этот метод широко используется для реактивных материалов, таких как титан, алюминий, магниевые сплавы, а также нержавеющие стали, инструментальные стали и никелевые суперсплавы.

Параметр	Описание
Используемые металлы	Титановые сплавы, алюминий, магний, нержавеющая сталь, инструментальная сталь, суперсплавы
Форма частиц	Сферическая морфология
Размер частиц	Типичный размер 50-150 мкм
Чистота	Высокий уровень инертного газа предотвращает загрязнение
Кислородный подборщик	Минимальный по сравнению с распылением жидкого металла
Масштаб производства	До 10 000 метрических тонн в год

Распыление воды

При распылении воды поток расплавленного металла попадает под высокоскоростные струи воды. Резкое охлаждение приводит к взрыву, который разбивает металл на мелкие частицы. Порошки имеют неправильную форму и содержат повышенное содержание кислорода из-за контакта с водой.

Распыление воды - менее затратный процесс, используемый для производства больших объемов порошков нержавеющей стали, легированной стали, железа и меди для прессования и спекания.

Параметр	Описание
Используемые металлы	Углеродистые стали, низколегированные стали, нержавеющие стали, медь, железные порошки
Форма частиц	Неравномерная морфология в результате взрывного разрушения воды
Размер частиц	Типичный размер 10 - 300 мкм
Чистота	Нижний, контакт с водой повышает уровень кислорода на 200-500 ppm
Масштаб производства	Очень высокая, более 50 000 тонн в год

Процесс плазменного распыления

В процессе плазменного распыления плазменная горелка используется для расплавления металлического сплава перед его распадом на мелкие капли с помощью газовых струй. Сверхвысокие температуры позволяют успешно распылять такие высокореакционные элементы, как алюминиды титана.

Порошки имеют сферическую форму и узкое распределение по размерам, подходящее для таких методов аддитивного производства, как лазерное плавление и электронно-лучевое плавление.

Параметр	Описание
Используемые металлы	Титановые сплавы, никелевые суперсплавы, алюминиды титана
Форма частиц	Высокая сферичность
Размер частиц	15 - 45 мкм обычно
Чистота	Очень высокая чистота благодаря плавлению в инертной атмосфере
Масштаб производства	Низкая, около 100 - 1000 тонн в год

Процесс вращающегося электрода (REP)

В процессе вращающегося электрода цилиндрический металлический электрод вращается с высокой скоростью в вакуумированной камере. Он расплавляется с помощью электрической дуги, а капли расплавленного металла, отбрасываемые центробежными силами, охлаждаются, образуя порошок.

Порошки REP имеют зернистую структуру и морфологию, идеально подходящую для горячей экструзии в тонкую проволоку и прутки для аэрокосмических сплавов, таких как вольфрам, молибден, тантал.

Параметр	Описание
Используемые металлы	Вольфрам, молибден, тантал
Форма частиц	Неравномерная, контролируемая микроструктура
Размер частиц	Типичный размер 45-150 мкм
Чистота	Очень высокая степень обработки под вакуумом
Масштаб производства	Небольшие объемы дорогостоящих порошков

Электродная индукционная газовая атомизация (EIGA)

В процессе EIGA используется индукционный нагрев для расплавления наконечников электродов в атмосфере инертного газа. Капли подвергаются вторичному распылению струей аргона в мелкие сферические порошки.

EIGA обеспечивает очень высокую чистоту реактивных никелевых суперсплавов для критически важных аэрокосмических компонентов за счет контролируемого плавления и минимизации загрязнений.

Параметр	Описание
Используемые металлы	Никелевые суперсплавы, алюминиды титана
Форма частиц	Сферическая
Размер частиц	15 - 53 мкм обычно
Чистота	Чрезвычайно высокая, специально разработанная для критических сплавов
Масштаб производства	НИОКР/прототипирование до средних объемов

Карбонильный процесс

В процессе карбонильной обработки металл превращается в летучий карбонил, который разлагается в контролируемых условиях с получением однородных ультратонких металлических частиц. Этот подход подходит для получения высокочистых порошков железа, никеля и кобальта.

Параметр	Описание
Используемые металлы	Железо, никель, кобальт
Форма частиц	От сферического до многогранного
Размер частиц	1 - 10 мкм обычно
Чистота	Исключительно высокая чистота 99,9%+
Масштаб производства	До 30 000 тонн в год

Другие методы производства порошка

Некоторые другие технологии, используемые для производства специальных металлических порошков, включают в себя:

• Электролитический процесс: Используется для получения порошков меди и никеля неправильной формы с дендритной морфологией методом электроосаждения
• Процессы восстановления металлов: Восстановление оксидов металлов с помощью водорода или углерода для получения порошков титана, циркония, вольфрама, молибдена
• Механическое легирование: Высокоэнергетическое шаровое измельчение для синтеза композитных и наноструктурированных сплавов

Металлический порошок Технические характеристики

Критические характеристики качества и спецификации, проверяемые для металлических порошков, зависят от метода производства и конечного применения, но обычно включают:

Химия порошка

• Состав сплава с помощью оптической эмиссионной или рентгенофлуоресцентной спектроскопии
• Незначительные легирующие элементы
• Примесные элементы, такие как кислород, азот, водород
• Испытание на потерю при воспламенении при высокой температуре

Распределение частиц по размерам

• Средний объемный размер частиц
• Ширина распределения, например, D10, D50, D90

Характеристика формы частиц

• Сканирующая электронная микроскопия для определения морфологии
• Факторы формы, такие как соотношение сторон и форм-фактор

Микроструктура

• Фазы, присутствующие с помощью рентгеновской дифракции
• Характеристики зерен по данным визуализации

Свойства порошка

• Кажущаяся плотность/плотность отвода
• Расход через воронку расходомера Холла
• Уровни сжимаемости

Требования к техническим характеристикам порошков сильно варьируются в зависимости от конечного применения в различных областях:

Параметр	Литье металлов под давлением (MIM)	Аддитивное производство	Прессование и спекание
Диапазон размеров частиц	3 - 25 мкм	15 - 45 мкм	150 - 300 мкм
Соотношение сторон	1 - 1,25 предпочтительно	<1,5 сферических	Не критично
Уровень кислорода	<1000 ppm	<500 ppm	2000 - 4000 стр.
Кажущаяся плотность	>2,5 г/см3	>2,8 г/см3	2 - 3 г/см3
Расход воздуха в зале	15 - 35 с/50 г	25 - 35 с/50 г	>12 с/50 г

Методы определения характеристик

Существует несколько аналитических методов, используемых для определения свойств металлических порошков, необходимых для работы изделия:

Анализ размера частиц

Методы лазерной дифракции наиболее широко используются для определения распределения частиц по размерам. При этом лазерный луч проходит через дисперсный образец порошка, который рассеивает свет под углом, зависящим от размера частиц. Компьютерный анализ дифракционной картины позволяет получить подробные статистически значимые данные о распределении частиц по размерам в течение нескольких секунд.

Морфология и изображение поверхности

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) позволяет получать изображения с высоким разрешением формы частиц порошка, рельефа поверхности и особенностей при гораздо большем увеличении и глубине фокуса по сравнению с оптической микроскопией.

СЭМ-изображения используются для изучения округления частиц, образования спутников, гладкости поверхности и таких дефектов, как пористость.

Измерение плотности и свойств потока

Были разработаны стандартные методы испытаний для количественной оценки поведения сыпучих материалов:

• Расходомерная воронка Холла для измерения расхода порошка через отверстие
• Воронка Карни для оценки текучести по углу откоса
• Волюметр Скотта для определения плотности и сжимаемости крана

Эти методы позволяют прогнозировать удобство обращения, смешивания, заполнения матриц и распределения в процессе производства компонентов.

Рентгеновские методы определения состава и кристаллической структуры

• Рентгенофлуоресцентная спектроскопия точно определяет и количественно оценивает элементный состав металлов
• Рентгеновская дифракция анализирует расположение атомов и присутствующие фазы по картинам дифракционных пиков

Применение металлических порошков

К основным видам конечного использования металлических порошков относятся:

Аддитивное производство

Также известны такие технологии 3D-печати, как селективное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и электронно-лучевое плавление (EBM), позволяющие создавать сложные геометрические формы из порошков титана, алюминия, нержавеющей стали, суперсплава, кобальтохрома.

Литье металлов под давлением (MIM)

Порошки, такие как нержавеющая сталь, титановые сплавы и инструментальные стали, соединяются со связующим веществом, подвергаются литью под давлением, а затем спекаются для производства небольших сложных деталей в больших объемах по низкой цене.

Пресс и агломератор для порошковой металлургии

Компактирование и спекание порошков железа, меди и легированной стали для производства деталей большого объема, таких как шестерни, втулки и магниты.

Приложение	Используемые металлы	Основные потребности в недвижимости
Аддитивное производство	Титановые сплавы, никелевые суперсплавы, алюминий, инструментальная сталь, нержавеющая сталь, кобальт-хром	Сферическая морфология Хорошая текучесть Высокая чистота
Литье металлов под давлением	Нержавеющая сталь, титан, инструментальная сталь, тяжелые сплавы вольфрама	Мелкий порошок <25 мкм Хорошая плотность упаковки
Прессование и спекание	Железо, сталь, нержавеющая сталь, медь	Экономичные порошковые смазочные покрытия

Существуют также нишевые области применения специальных металлических порошков, такие как сварка, алмазные инструменты, электроника и поверхностные покрытия.

Поставщики и ценообразование

К числу ведущих мировых поставщиков различных металлических порошков относятся:

Компания	Методы производства	Материалы
Sandvik Osprey	Распыление газа	Титановые, алюминиевые, никелевые сплавы
AP&C	Плазменное распыление	Алюминиды титана, суперсплавы
Технология столярных работ	Распыление газа, воды	Инструментальные стали, нержавеющие стали, сплавы
Höganäs	Распыление воды	Железо, нержавеющие стали
JFE Steel	Распыление воды	Порошки из нержавеющей стали
Rio Tinto	Алюминиевый порошок	Карбонил никеля и железа

Цены на металлические порошки варьируются в широких пределах:

• Материал и состав сплава
• Используемый метод производства
• Обработка для достижения характеристик частиц
• Уровни чистоты и степень загрязнения
• Объемы закупок - контракты на большие объемы дают более низкие цены

Типичные базовые цены за килограмм составляют:

Материал	Ценовая смета
Нержавеющая сталь 316L	$12 - $30 за кг
Алюминий AlSi10Mg	$15 - $45 за кг
Титан Ti-6Al-4V	$80 - $220 за кг
Никелевый суперсплав Inconel 718	$90 - $250 за кг
Специальные сплавы для AM	$250 - $1000 за кг

Цены значительно возрастают при индивидуальном распределении частиц по размерам, контролируемом уровне кислорода и азота менее 100 ppm, а также при закупках небольших партий.

Преимущества и ограничения порошковой металлургии

Преимущества порошковой металлургии

• Возможность получения сложных геометрических форм, невозможных при литье или механической обработке
• Изготовление по форме, близкой к сетке, сокращает отходы материалов
• Можно использовать металлы и сплавы с более высокими эксплуатационными характеристиками
• Последовательная структура пористости, невозможная при металлургии слитков
• Компоненты могут быть изготовлены по индивидуальному заказу

Ограничения при производстве и обработке порошков

• Капитальные вложения в производственное и погрузочно-разгрузочное оборудование очень высоки
• Увеличенная площадь поверхности делает работу с пирофорными реактивными порошками рискованной
• Для достижения высокой плотности уплотнения может потребоваться высокое давление
• Дополнительные технологические операции по сравнению с литьем
• Переносимость АМ-машин благодаря тому, что порошок является LO/NO

Вот краткое сравнение порошковой металлургии с обычным процессом литья:

Параметр	Порошковая металлургия	Литье
Сложные формы	✅ Отлично подходит для многослойных AM-конструкций	Ограничено для типичных отливок
Механические свойства	После горячего изостатического прессования может приобретать литые свойства	✅ Предсказуемые свойства
Время цикла	Более медленный процесс для методов AM	✅ Быстрее при серийном производстве
Точность размеров	Варьируется, зависит от постобработки	Очень хорошо подходит для точного литья по выплавляемым моделям
Расходы на оборудование	Очень высокая для промышленных AM-машин	✅ Снижение капитальных затрат
Виды металлов	Постоянное расширение возможностей	✅ Широчайший выбор

Вопросы и ответы

В: Каков типичный диапазон размеров частиц, используемых в металлических порошках для 3D-печати?

О: В технологиях с порошковым слоем, таких как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM), оптимальный размер частиц находится в диапазоне 15-45 микрон. Более мелкие порошки улучшают разрешение, но могут быть сложны в обращении и обработке.

Вопрос: Что определяет морфологию металлических порошков, полученных разными методами?

О: Производственные факторы, такие как интенсивность разрушающей силы потока расплава от газовых струй или гидроударов, а также скорость последующего охлаждения, определяют форму частиц. При более быстром охлаждении образуются нерегулярные, дендритные частицы, в то время как более медленное застывание (сферическое распыление) позволяет получить гладкие округлые структуры.

В: Почему высокая чистота важна для металлических порошков в аддитивном производстве?

О: Примеси могут вызывать дефекты, проблемы с пористостью, изменять микроструктуру сплава, снижать плотность, влиять на характеристики при нагрузках и температурах, отрицательно сказываясь на механических свойствах. Типичными стали целевые уровни кислорода менее 500 ppm и азота менее 100 ppm.

Вопрос: Как безопасно обращаться с металлическими порошками при транспортировке и хранении?

О: Реактивные металлические порошки пассивируются для создания окисленных поверхностей, что сводит к минимуму риск воспламенения. Для предотвращения воспламенения порошки при транспортировке запечатываются в бочки с инертными газами, например аргоном, а не воздухом. Контейнеры для хранения должны быть надлежащим образом заземлены. При работе с ними персонал пользуется специальными СИЗ.

Вопрос: Какие существуют распространенные методы определения характеристик порошка?

О: Расходометрия Холла, испытания на плотность, пикнометрия, LOI, спектрографический анализ, металлография и распределение частиц по размерам с помощью лазерных или ситовых методов являются жизненно важными для количественной оценки поведения, контроля качества производства металлических порошков и оценки пригодности партии для конкретных применений.

узнать больше о процессах 3D-печати

Additional FAQs about Metal Powder (5)

1) What factors most influence powder flowability across production methods?

• Particle shape/sphericity, surface roughness/satellites, PSD span (D90–D10), moisture/oxide films, and lubricant coatings. Gas/plasma/EIGA powders typically flow better than water-atomized due to higher sphericity and lower surface oxides.

2) How should refresh rates be set for AM metal powders?

• Monitor O/N/H, PSD tails, and flow/tap density per reuse. Typical refresh is 10–30% virgin powder per build for steels/Ni; tighter for Al/Ti. Establish go/no‑go limits via DoE linking powder metrics to part density and defects.

3) When is carbonyl powder preferred over atomized powder?

• Carbonyl Fe/Ni/Co offers ultrafine, high‑purity particles (1–10 μm) for MIM, magnetic alloys, and electronic pastes. It’s less suitable for LPBF without conditioning due to poor flow and high surface area.

4) What CoA data should buyers require for critical applications?

• Chemistry with interstitials (O/N/H), PSD (D10/D50/D90 and span) per ISO 13320/ASTM B822, shape metrics (DIA sphericity/aspect ratio), Hall/Carney flow, apparent/tap density (ASTM B212/B527), moisture/LOI, inclusion/contamination screens, and lot genealogy.

5) How do you select between gas and water atomization for a given alloy?

• Match process to application tolerance for shape/oxygen: LPBF/DED typically need gas/plasma/EIGA for sphericity/cleanliness; press‑and‑sinter and some BJ/MIM applications often leverage water‑atomized powders for cost with acceptable performance.

2025 Industry Trends in Metal Powder Production

• Inline process control: Atomizers integrate laser diffraction + dynamic image analysis for real‑time PSD/shape feedback and closed‑loop nozzle/gas adjustments.
• Sustainability and cost: Argon recovery, closed‑loop water, and heat recuperation reduce CO2e/kg and stabilize pricing; more Environmental Product Declarations (EPDs) published.
• BJ and soft‑magnetic growth: Binder jetting expands with Fe‑Si, 17‑4PH, and Cu powders; demand for low‑loss soft magnetics increases for e‑mobility.
• Cleanliness push: EIGA/vacuum GA adoption rises for reactive alloys (Ti, Al, Ni superalloys) to meet lower O/N/H targets and improve AM yield.
• Regional capacity: New GA/WA lines in NA/EU/India shorten lead times and reduce price volatility for 316L, IN718, and AlSi10Mg.

2025 snapshot: key metal powder metrics and market indicators

Метрика	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
CoAs including DIA shape metrics (%)	40-50	55–65	65–75	Supplier datasheets, OEM specs
Argon recovery adoption at GA/PA plants (%)	25–35	35–45	45–55	ESG/EPD reports
Typical LPBF PSD window (μm, steels)	20–63	15–53	15–45	Narrowing for density/flow
Average O (wt%) in GA 316L AM grade	0.035–0.05	0.030–0.045	0.025–0.040	LECO trends
Lead time, standard GA 316L (weeks)	6–10	5-8	4–7	Capacity additions
Cost delta, GA vs WA 316L (USD/kg)	+12–20	+10–18	+10–15	GA premium persists

References: ISO 13320; ASTM B822/B212/B527; ISO/ASTM 52907 (feedstock); ASTM E1019/E1409 (O/N/H); ASM Handbook; industry ESG/EPD reports: https://www.astm.org, https://www.iso.org

Latest Research Cases

Case Study 1: Real‑Time PSD Control in Gas Atomization for 316L (2025)
Background: A producer saw wide PSD tails causing LPBF recoater streaks and porosity.
Solution: Installed at‑line laser diffraction + DIA feeding closed‑loop control of gas pressure/nozzle ΔP and melt flow; added fines bleed‑off.
Results: PSD span reduced 18%; >63 μm tail cut 60%; LPBF relative density improved from 99.3% to 99.7%; scrap −22%; throughput +8%.

Case Study 2: Water‑Atomized 17‑4PH Conditioning for Binder Jetting (2024)
Background: Service bureau struggled with green density variability and sinter distortion.
Solution: Mechanical spheroidization, fines trimming (<10 μm), and H2 anneal reduced O from 0.18% to 0.09%; tuned PSD to 8/17/30 μm (D10/50/90).
Results: Green density +6.5%; sintered density 97.8% → 99.1%; dimensional scatter (3σ) −42%; surface Ra after sinter/HIP improved from 12.5 to 7.6 μm.

Мнения экспертов

• Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy and Materials Processing, University of Sheffield
  Key viewpoint: “Powder flow and density are predicted best when PSD is paired with shape analytics—essential for linking atomization settings to AM yield.”
• Dr. Ellen Meeks, VP Process Engineering, Desktop Metal
  Key viewpoint: “For Binder Jetting, controlling fines and furnace atmosphere is pivotal; small shifts in <10 μm content drive shrinkage and density outcomes.”
• Marco Cusin, Head of Additive Manufacturing, GKN Powder Metallurgy
  Key viewpoint: “Production capability comes from stable powders, calibrated debind/sinter, and closed‑loop compensation—not just faster printers.”

Citations: University and OEM technical briefs; standards bodies: https://www.astm.org, https://www.iso.org

Practical Tools and Resources

• Standards and QA:
• ISO/ASTM 52907 (feedstock requirements), ASTM B822 (PSD), ASTM B212/B213 (apparent density/flow), ASTM B527 (tap density), ASTM E1019/E1409 (O/N/H)
• Measurement and analytics:
• Dynamic image analysis for sphericity/aspect ratio; laser diffraction per ISO 13320; CT per ASTM E1441 for AM coupons; LECO analyzers for interstitials
• Управление процессом:
• Atomizer control guides (nozzle/gas pressure), sieving/conditioning SOPs, powder reuse tracking templates (O2/fines/flow), furnace dew point monitoring
• Databases/handbooks:
• ASM Handbook (Powder Metallurgy), MPIF publications, OEM AM powder specifications and qualification guides
• Устойчивость:
• ISO 14001 frameworks; EPD templates; best practices for closed‑loop water systems and argon recovery

Notes on reliability and sourcing: Specify alloy grade and tolerances, PSD (D10/D50/D90 and span), shape metrics, O/N/H limits, and flow/density targets on purchase orders. Qualify each lot with print or sinter coupons. Store powders under inert, desiccated conditions and track reuse cycles. Match powder characteristics to the process (LPBF, BJ, MIM, press‑sinter) to minimize variability and defects.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 targeted FAQs, a 2025 trends/data table, two concise case studies, expert viewpoints, and practical standards/resources tailored to Metal Powder production and applications
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ISO/ASTM update feedstock/QA standards, major OEMs revise powder CoA requirements, or new inline QC methods materially change PSD/shape control practices